GPS伪码瞄准式干扰及硬件实现*

潘伟，杨祖芳，郑建生

(1.武汉大学 a.卫星导航定位技术研究中心； b.电子信息学院，湖北 武汉 430072； 2.武汉工商学院 信息工程学院，湖北 武汉 430065)

GPS伪码瞄准式干扰及硬件实现*

潘伟1a，杨祖芳2，郑建生1

(1.武汉大学 a.卫星导航定位技术研究中心； b.电子信息学院，湖北 武汉 430072； 2.武汉工商学院 信息工程学院，湖北 武汉 430065)

GPS(全球定位导航系统)天线滤波和极化抗干扰技术，使得宽带阻塞式干扰的效能急剧下降。为了解决这个问题，提出了一种采用伪码瞄准式干扰方案。方案能够对GPS信号进行干扰，并且干扰性能得到提升。分析了伪码瞄准式干扰原理和评估标准，对GPS伪码瞄准式干扰机进行了设计，分别包括伪码干扰源模块设计和载波模块设计，并给出了个电路的原理和硬件实现。对GPS接收机的载噪比进行了测试，实验结果表明伪码瞄准式干扰，载噪比降低，具有干扰功率集中的优点。相比宽带阻塞式干扰，性能得到提升。

压制性干扰；瞄准式干扰；GPS对抗；C/A码；相关干扰；卫星干扰；电子对抗

0 引言

宽带阻塞式干扰是针对全球定位导航系统(global positioning system，GPS)系统常用的干扰方式[1]，多用于对GPS制导巡航导弹进行干扰。然而，GPS天线滤波和极化抗干扰技术[2]的研究，使得GPS接收机对干扰的抗性得到增强，宽带阻塞式干扰的性能急剧下降。为了提高干扰性能，采用窄带干扰信号[3]是研究的主要趋势。

文献[4-5]介绍了伪码瞄准式干扰在雷达领域的应用，然而，在GPS领域的研究还未见到报道[6-7]。本文在分析GPS信号的特点上，提出了针对GPS的伪码瞄准式干扰技术。分析了干扰对GPS接收信号相关特性的影响，并设计了载波模块和干扰源模块，搭建了测试平台。结果表明，采用伪码瞄准式干扰技术，相比阻塞式干扰[8]载噪比更低，干扰性能更好。

1 伪码瞄准式干扰技术

1.1 瞄准式干扰原理

瞄准式干扰是基于压制性干扰的技术，主要用于直接序列扩频通信系统[9]。伪码瞄准式干扰是将干扰信号精确瞄准到GPS下行信号，干扰信号集中在GPS频谱范围内[10]。

图1 瞄准式干扰与GPS收发系统Fig.1 Aiming- jamming and GPS system

如图1所示，说明了干扰信号与GPS通信系统的关系。数据码DATA经过C/A码扩频与BPSK调制发射出去，成为GPS信号。GPS信号和干扰信号同时被接收端接收，经过解调与解扩得到数据码DATA。该接收端DATA同时包含噪声信号和数据。因此，GPS接收系统受到干扰。

根据上述分析，实现瞄准式干扰的关键技术：①干扰信号带宽与GPS信号带宽2 MHz一致，②干扰信号载频与GPS信号载频1 575.42 MHz一致。为了解决这2点，本文在硬件设计上，提出了伪码干扰源和载波发生模块设计方案。

1.2 伪码瞄准式干扰对GPS信号影响理论分析

在没有干扰的情况下，卫星接收机的接收信号为

(1)

式中：A表示信号s(t)传输过程中的信道衰减；d(t)为数据信号；Pi(t)为GPS信号扩频码；w0为载波信号。

在有干扰情况下，信号s(t)和人为干扰j(t)是线性叠加的，即接收机的接收信号为

(2)

对于伪码瞄准式干扰，式(2)中干扰信号j(t)可以表示为

(3)

式中：Aj为干扰振幅；Pj为伪码干扰序列；wj为干扰信号载频。为了简化分析，不考虑导航电文d(t)和相位φ的影响，接收机的接收信号可简化为

r(t)=APicos(w0t)+AjPjcos(wjt).

(4)

对于接收机K路信道，对式(4)的r(t)求自相关[11]，即接收信号的相关特性：

(5)

式中：T为信道积分时间；上述第1个积分为第i卫星信号的自相关系数；第2个积分为干扰序列与卫星信号的互相关系数。

在无干扰情况下，对于GPS L1频段，Pi扩频码为C/A码，其有良好的自相关特性c(τ)，如图2所示。在有干扰信号时，存在Pj伪码干扰序列，会使的c(τ)的自相关特性发生改变。如图3所示，存在多个相关系数，导致在GPS信号解扩过程中，码跟踪环[12]无法锁定，无法捕获导航电文。

图2 无干扰时GPS信号的相关系数Fig.2 Correlation coefficient of GPS signal without interference

图3 伪码干扰时GPS信号的相关系数Fig.3 Correlation coefficient of GPS signal in PN code jamming

1.3 瞄准式干扰性能评估

文献[13]给出了GPS干扰效能的评估标准，本文在此基础上，对伪码瞄准式干扰的性能进行了研究。干扰对GPS接收机的影响是降低信号/噪声功率密度比C/N0。

(6)

式中：S为接收到的GPS功率；N0为热噪声功率密度W/Hz；I0为干扰噪声功率密度。本文通过C/N0来衡量干扰信号对GPS信号的影响。C/N0越低，信号质量越差，受到的干扰越强。后续实验说明了干扰信号会降低C/N0。

2 伪码瞄准式干扰硬件电路实现

如图4所示，干扰机本质上采用发射机结构[14]，包括基带和射频两大部分。伪码瞄准式干扰的难点在于实现上述2个关键技术，因此，分别对伪码干扰源、载波发生模块进行了研究。

2.1 伪码干扰源设计

如图4所示，伪码干扰源采用C/A码，由可编程逻辑器件 XILINX FPGA(field programmable gate array)产生。由于C/A码是以一定规律和周期重复产生的，具有类似噪声的序列，具有接近白噪声的相关函数[15]，同时C/A码也是GPS信号的扩频码。因此，采用C/A码能够实现干扰信号带宽与GPS信号带宽一致。

如图5所示，C/A Code主要由G1 Code与G2 Code异或产生。C/A模拟产生速率1.023 MHz的第i颗卫星的C/A码序列，C/A码有1 023个码片，持续周期是1 ms。如图6所示，为C/A码的半边频谱，C/A码带宽为2 MHz≈1.023 MHz×2，说明与GPS信号带宽一致，采用该方法可行。

2.2 载波发生模块设计

如图4所示，载波发生模块包括数字频率综合器(direct digital synthesizer，DDS)，锁相环倍频器PLL(phase locked loop)，滤波电路。载波发生模块的功能是产生载波信号。该载波信号瞄准GPS信号中心频率1 575.42 MHz。

文献[16]给出了DDS+PLL合成频率的方案，本文将其应用于载波频率的合成。

图4 干扰机硬件框图Fig.4 Hardware block diagram of jamming machine

图5 C/A码发生器原理Fig.5 Principle of C/A code generator

图6 C/A码频谱Fig.6 C/A code spectrum

如图7所示，恒温晶振提供基准时钟源fREF，通过频率控制字FTW对DDS进行控制，经过低通滤波，输出分频信号fDDS。该信号作为PLL的输入信号。PLL包括PFD鉴相器，低通滤波器，压控振荡器VCO，N DIVIER分频器。输出信号为fOUT。

图7 载波发生硬件设计Fig.7 Hardware design of carrier

该电路经过调试，说明这一方案是成功的。如图8给出了载波信号的频谱图，中心频率为1 575.42 MHz。

图8 载波输出信号Fig.8 Carrier output signal

3 测试结果

3.1 干扰机输出信号测试

如图9所示，Tektronix频谱仪测试输出波形。信号主瓣中心频率为1 575.42 MHz，带宽为2 MHz，与GPS信号的特征一致，说明该干扰信号瞄准了GPS信号。

图9 干扰信号频谱Fig.9 Spectrum of interference signal

3.2 伪码瞄准式干扰性能评估测试

如图10所示，在户外条件下对该系统进了测试。测试平台包括：维科V.KEL卫星接收模块以及上位机软件显示的卫星状态图，说明收到了卫星信号。

测试的主要参数为载噪比C/N0，单位dB- Hz。如表1所示，分别测试了伪码瞄准式干扰与宽带阻塞是干扰对GPS载噪比C/N0的影响。

表1 载噪比C/N0的测试结果

通过上述实验得出结论：①本文设计的伪码瞄准式干扰系统降低了载噪比，达到了干扰效果。②瞄准式干扰相比宽带阻塞式干扰载噪比更低，干扰性能得到提升。

4 结束语

针对压制性干扰性能的不足，扩频后干扰功率下降的问题，结合GPS信号特征，提出了借助伪码噪声序列实现瞄准式干扰的方法。通过对GPS信号的自相关性分析，表明在瞄准式干扰下，GPS信号的自相关性发生改变，码跟踪环无法锁定，接收机收到干扰。在硬件电路上，设计了伪码干扰源和载波发生模块，产生了干扰信号。搭建了干扰测试平台，实验结果，该方法能够降低GPS信号的载噪比，相比阻塞式干扰性能更强。

[1] 喻红婕，潘成胜.GPS阻塞式压制干扰技术的分析与实现[J].沈阳理工大学学报，2006，25(1)：65-67. YU Hong- jie，PAN Cheng- sheng.The Research and Implementation of the Blocking- Suppressing Jamming Technigue in GPS[J].Transactions of Shenyang Ligong University，2006，25(1)：65-67.

[2] 杨忠，白渭雄，付孝龙.全极化辅助天线对消极化干扰方法分析[J].现代防御技术，2016，44(5)：131-136. YANG Zhong，BAI Wei- xiong，FU Xiao- long.Cancellation Method Analysis of Full Polarized Auxiliary Antenna to Polarized Interference[J].Modern Defence Technology，2016，44(5)：131-136.

[3] 胡泽宾，赵惠昌.伪码引信瞄准式欺骗干扰及硬件实现[J].电子与信息学报，2006，28(10)：1817-1819. HU Ze- bin，ZHAO Hui- chang.Jamming of Spot and Deception of Pseudo- Random Code Phase- Modulation Fuze and Hardware Implemented Circuit[J].Journal of Electronics & Information Technology，2006，28(10)：1817-1819.

[4] 侯者非，王学东，陈国军.GPS干扰与抗干扰技术研究[J].现代电子技术，2004，27(23)：99-101. HOU Zhe- fei，WANG Xue- dong，CHEN Guo- jun.Research on Interference and Anti- Interference of GPS[J].Modern Electronics Technique，2004，27(23)：99-101.

[5] 沈阳，李修和，陈永光.一种新的压制性干扰技战术研究[J].电子与信息学报，2008，30(5)：1068-1071. SHEN Yang，LI Xiu- he，CHEN Yong- guang.Research on One New Blanket Jamming Technology and Tactics[J].Journal of Electronics & Information Technology，2008，30(5)：1068-1071.

[6] 杨春晓，谢军伟，张昭建.针对制导雷达的新型干扰仿真及分析[J].现代防御技术，2016，44(5)：194-200. YANG Chun- xiao，XIE Jun- wei，ZHANG Zhao- jian.Simulation and Analysis of New Type Jamming for Guidance Radar[J].Modern Defence Technology，2016，44(5)：194-200.

[7] BEK M K，SHAHEEN E M，ELGAMEL S A.Mathematical Analyses of Matched Spectrum Interference Signal on Post- CorrelationC/N0for the GPS Receivers[C]∥International Conference on Computer Engineering & Systems，2014：119-124.

[8] 毛虎，吴德伟，卢虎，等.GPS M码信号压制干扰样式效能分析[J].电子科技大学学报，2015，44(3)：350-356. MAO Hu，WU De- wei，LU Hu，et al.Effectiveness Analysis of the Blanket Jamming Mode to GPS M Code Signal[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2015，44(3)：350-356.

[9] 祝爱民，石春和，董良东，等.基于FPGA高斯白噪声发生器的设计与实现[J].火力与指挥控制，2009，34(7)：119-121. ZHU Ai- min，SHI Chun- he，DONG Liang- dong，et al.Design and Realization of Gaussian White Noise Generator Based on FPGA[J].Fire Control & Command Control，2009，34(7)：119-121.

[10] BONFANTI A，AMOROSA F，SAMORI C.A DDS- Based PLL for 2.4- GHz Frequency Synthesis[J].Circuits & Systems II Express Briefs IEEE Transactions on，2003，50(12)：1007-1010.

[11] 薛磊，汤俊杰，张煊滏.基于接收机跟踪性能的GPS压制干扰效果分析[J].现代防御技术，2011，39(4)：26-30. XUE Lei，TANG Jun- jie，ZHANG Xuan- fu.Analysis of Blanket Jamming Effect on GPS Receiver Based on Performance of Tracking Loop of Receiver[J].Modern Defence Technology，2011，39(4)：26-30.

[12] 刘雅娟，高伟，张娜.压制性干扰系统仿真研究[J].科学技术与工程，2012，12(10)：1671-1815. LIU Ya- juan，GAO Wei，ZHANG Na.The Study of Blanketed Jamming System Simulation[J].Science Technology and Engineering，2012，12(10)：1671-1815.

[13] 何江，郭承军，陈智.全球导航卫星系统中的干扰频域门限检测技术研究[J].计算机工程，2016，42(4)：105-111. HE Jiang，GUO Cheng- jun，CHEN Zhi.Research on Threshold Detection Technology of Interference Frequency Domain in Global Navigation Satellite System[J].Computer Engineering，2016，42(4)：105-111.

[14] 赵敏，赵丽屏.全球卫星导航定位系统抗干扰技术[J].指挥信息系统与技术，2016，7(1)：37-40. ZHAO Min，ZHAO Li- ping.Anti- Jamming Technologies for Global Satellite Navigation and Positioning Systems[J].Command Information System and Technology，2016，7(1)：37-40.

[15] 杨朝，徐慨，杨海亮.卫星通信干扰信号的检测方法指挥[J].控制与仿真，2016，38(6)：125-134. YANG Zhao，XU Kai，YANG Hai- liang.Study on Detection for Interference Signals in Satellite Communication[J].Command Control & Simulation，2016，38(6)：125-134.

[16] 潘高峰，王李军，华军.卫星导航接收机抗干扰技术[M].北京：电子工业出版社，2016. PAN Gao- feng，WANG Li- jun，HUA Jun.Anti- Jamming Technology of Satellite Navigation Receiver[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2016.

Pseudo Code Aiming- Jamming Design of GPS

PAN Wei1a，YANG Zu- fang2，ZHENG Jian- sheng1b

(1.Wuhan University，a.GNSS Research Center；b.Electronic Information School，Hubei Wuhan 430072，China； 2.Wuhan Technology and Business University，Information Engineering School，Hubei Wuhan 430065，China)

Global positioning system (GPS) antenna filtering and polarization interference technology makes the performance of broadband blocking interference decreased dramatically. To solve this problem, a pseudo code aiming jamming scheme is proposed which can interfere with the GPS signal, and the performance is improved. The pseudo code aiming jamming principle and evaluation standards are analyzed. GPS code aiming jamming machine is designed, including pseudo code and carrier interference source module design, as well as the realization principle and hardware circuit. The carrier to noise ratio of the GPS receiver is tested. Experimental results show that the pseudo code aiming jamming can effectively interfere with GPS and has the advantage of the interference power concentration. Compared to broadband blocking interference, the performance is enhanced.

blanket jamming； spot jamming； GPS countermeasure； C/A code； correlated interference； satellite interference； electronic countermeasure

2016-12-13；

2017-03-21 基金项目：国家自然科学基金项目(61273053)；武汉工商学院2016年度科研基金项目(A2016008) 作者简介：潘伟(1991-)，男，安徽六安人。硕士生，研究方向为卫星干扰与抗干扰技术，卫星接收机设计。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.023

TN972;P228.4

A

1009- 086X(2017)- 04- 0143- 06

通信地址：340000 湖北省武汉市武汉大学电子信息学院 E- mail：panwei314@163.com